1、基于信息融合与 Agent 的温室环境无线测控系统 农业信息化进展课程论文学 号 、 姓 名 ： 20141007 郭崇 年 级 、 专 业 ： 2014 级 农业电气化与自动化 培 养 层 次 ： 博士 课 程 名 称 ： 农业信息化进展 授课学时学分： 24 学时 1.5 学分 考 试 成 绩 ： 授课或主讲教师签字： 1 引言智能化温室是设施农业发展的方向，信息的获取和处理是发展智能化温室的，人工方式由于工作强度大、效率低等缺点，己不能满足现代化温室的发展要求。无线传感器技术具有低速率、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠和安全等特点，为现代化温室环境
2、监测开辟了新途径。因此研究温室无线传感器网络环境监测系统符合现代化温室的发展要求。近年来在温室环境无线测控技术方面开展了相关研究工作，为实现温室群控要求，本研究将短距离传输与长距离传输相结合，利用 3G 节点作为基站和汇聚节点，通过 Zigbee节点进行温室环境信息获取和控制，开发了基于无线网络的温室环境监控系统，并对无线传感器络进行多传感器数据融合，提高测控系统的数据测量精度和使用性能。针对 Zigbee自组织网络中感知节点动态变化，建立了基于移动 Agent 温室无线网络资源管理系统。2 温室环境无线测控系统开发2.1 系统结构针对温室环境测控系统运行环境复杂、控制因子多、要求连续稳定运行
3、、且成本低廉的特点，开发了基于无线网络的温室环境测控系统的结构，如图 2.1 所示。系统主要包括环境信息传感器和控制节点、汇聚节点、智能网关和数据服务器组成。环境信息感知节点通过环境传感器获取温室内环境信息，控制节点通过继电器实现温室环境调控设备的控制。图 2.1 系统结构2.2 系统功能(1)温室环境信息感知的传感器节点基于 Zigbee 的温室环境信息感知传感器节点实现温室环境信息的获取，获取参数包括：温室内空气温度、湿度、光照强度、C02 浓度、土壤湿度、土壤温度等信息；温室外空气温度、空气湿度、光照强度、C02 浓度、风速风向、雨量等信息。(2)信息采集与传输的汇聚节点利用 Zigbe
4、e 自组网技术和 3G 网络技术实现汇聚节点的信息采集与传输，通过设定Zigbee 网络的无线频点、网络 ID 和节点的地址，实现在不同温室中的网络自组网和识别；采用 3G 网络实现温室现场信息与服务器间的数据传输。(3)现场控制节点基于 Zigbee/3G 网络，对现场控制节点发送控制信号，利用继电器对温室各执行机构进行控制，实现温室环境的远程实时调控。2.3 系统开发与配置2.3.1 信息感知传感器节点开发的传感节点如图 2.2 (a)所示，由无线采集设备、传感器和供电模块组成，其中温湿度节点配置防辐射罩。温室环境信息感知传感节点采用上海顺舟电子科技有限公司开发的 SZ0 系列 Zigbe
5、e 无线采集设备，该设备可实现中心节点、路由节点、终端节点任意设置，可以实现模拟信号、数字信号和开关量信号的采集，并可以实 6 个信道、65536 个网络 ID的设置，所采集的环境参数包括温度、湿度、光照强度和 C02 浓度等信息，所采用的传感器技术参数如表 2.1。（a ）传感节点 （b）智能网关图 2.2 环境信息采集系统实物图表 2.1 传感器技术参数2.3.2 汇聚节点汇聚节点采用镇江大科茂信息系统有限责任公司的智能网关，如图 2.2(b)。智能网关系统采用 ARM1176JZF-S 核作为智能网关的微处理器，并集成了 Zigbee、3G 等模块，软件上集成了 BOA 服务器、SQLi
6、te3 数据库。ARM 控制器通过串口与 Zigbee 协调器节点连接，来获取 Zigbee 无线传感器网采集的环境参数。2.3.3 温室环境控制节点图 2.3 为温室环境控制节点系统，智能网关系统通过 3G 网络接收服务器发送的控制信号，汇聚节点通过 Zigbee 协调节点将控制信号传输至控制节点，通过 485 总线传输至信号转换模块，信号转换模型将控制信号进行转换为 16 路继电器控制信号进行执行机构的控制。图 2.3 温室环境控制节点2.3.4 智能网关工作过程温室环境智能网关工作过程如图 2.4 所示。首先服务器端启动 3G 网络服务程序，服务功能成功后，智能网关终端进行网络连接，并开
7、始监听来自用户和信息采集节点的中断信号，当中断为信息釆集中断的串口数据上报时，则更新当前环境信息，并将实时环境信息上报至服务器。当数据来自服务器的查询和控制指令时，系统根据相关指令进行应答，当服务器指令为数据查询指令时，根据查询需求反馈相应的数据；当指令为环境调控时，系统对服务器所发送控制指令进行解析，并将控制指令发送通过 485 端口发送至继电器转换模块，实现温室环境的调控。图 2.4 智能网关工作过程3 温室环境无线测控网络旳多信息融合3.1 温室环境无线测控网络的两层融合常规的多传感器数据融合考虑的主要是对同一时刻属于不同空间的传感器的数据进行空间融合或对同一传感器的不同时刻的数据进行时
8、间融合。但是在温室环境测控多传感器系统中，由于无线网络数据采集和传输过程中存在干扰，会造成部分传感器的数据丢失或误差；同时不同节点所采集的数据不同，而数据之间存在着相互联系，如温度与光照呈现正相关，而与湿度呈负相关。因此在进行多传感器数据融合时应考虑参数之间的相互影响，实现异构传感器之间的数据融合。针对图 2.1 的温室环境测控的三层结构体系，提出了节点级+汇聚级两级融合方法进行传感器的信息融合。其融合过程如图 2.5 所示，即先在节点上对同一时刻的传感器观测值进行节点层融合，然后在汇聚层对汇聚点内的节点融合的结果利用加权最小二乘融合算法进行异构多传感器融合，从而提高数据准确度。图 2.5 温
9、室环境无线测控网络两级融合的过程3.2 融合实验分析3.2.1 试验地点与装置试验在农业示范园的 2 个 Venlo 型玻璃温室内进行，试验温室跨度 9.6m、间距 4m、肩髙 4m、4 跨 9 间、占地面积 1382.4 nf。温室配置有天窗、侧窗、内遮阳、外遮阳、湿帘风机等调控设备，种植的作物主要为生菜、黄瓜等蔬菜作物。试验采用 2.1 节中所开发的温室环境无线网络测控系统，各传感器所采集数据类型如表 2.2 所示，各传感器的技术参数见表 2.1。表 2.2 实验用的传感器参数由于温室环境控制的主要对象是温度和湿度，而温湿度在温室的不同区域存在着差别，因此传感器的节点布置为温室内对角位置设
10、置 2 个温湿度；对于光照和 C02, 般不进行直接调控，只是作为温湿度调控的依据，所以在温室中部作物上方设置 1 个光照和 1 个 C02 环境信息采集节点。在本试验中由于 C02 不调控，其变化不大，因此在融合过程中不考虑C02 传感器的影响。则节点的测量向量表示为 Z = T,H,Lt，各传感器对应的测量矩阵和测量噪声分别为：3.2.2 传感节点层融合结果为测试传感器节点融合效果，分别采用表 2.1 的 3 个节点对温室内温度、湿度和光照强度进行环境信息釆集，釆集时间为 2013 年 10 月 11 0:00 到 24:00,设定结点数掘采集间隔为 10min,共釆集 144 个数据。图
11、 2.6-2.7 分别为节点 1 和节点 2 的温度和湿度滤波结果，从滤波结果可以看出，2 个节点的温度参数测量值波动不大，滤波的结果与实测值差别较小，其中节点 2 的温度值在中午时刻由于太阳辐射产生波动，通过滤波实现/ 温度的平滑处理。对于湿度的滤波结果中，夜间温室处于密闭状态，由于作物的呼吸作用，使得温室内湿度接近 100%，而湿度传感器在大于 98%湿度时会出现数据波动，通过卡尔曼滤波，可以实现数据的平滑。图 2.6 节点 1 的卡尔曼滤波结果图 2.7 节点 2 的卡尔曼滤波结果节点 3 的光照强度的滤波结果如图 2.8 所示，中午时刻，由于外界光照发生短时间的变化而导致温室内光照强度
12、发生突变，通过卡尔曼滤波可以实现数据滤波，减少由于短时间的室外光照突变对数据的影响。图 2.8 节点 3 的卡尔曼滤波结果3. 2.3 汇聚层节点融合结果为测试汇聚级融合效果，选择在温湿度变化范围较大的 7:00 到 12:00 的数据进行融合效果测试。图 2.9 为采用加权最小二乘算法获得的温室内温度、湿度、光照强度的融合值。由于本研宄中仅设置了一个光照传感器，因此在融合过程中，根据本文的最小二乘融合算法，光照的融合值为光照（节点 3)的测量值。在上午 8：00 之前，温度和湿度的融合值均为平均值。温室在上午 8:00 打开侧窗通风换气，山于试验温室东侧为空地，西侧为另一温室，自然通风主要是
13、靠东侧窗实现室内温度湿热交换，从而位于温室东侧节点 2 的温度和湿度值下降较快，位于温室西侧的温度和湿度滞后 1 小时后开始变化，通过加权最小二乘融合，温度和湿度融合值的变化更接近于节点 2,从而更能反映温室内温度和湿度的变化情况。10:00 以后温室与室外达到动态湿热平衡，温度和湿度的融合值为平均值。图 2.9 融合结果4 结论本文开发了基于无线网络的温室坏境测控系统，将短距离转输与长距离传输相结合，采用基于 zigbee 网络的温室环境信息采集节点，利用 3G 网络作为基站和汇聚控制节点信息传输。同时针对无线传感器网络系统的体系结构，采用两层信息融合方法，利用卡尔曼滤波法进行传感节点层融合
14、，采用加权最小二乘法进行汇聚层节点融合，实现异构多传感器的信息融合，以提高传感器的采集数据准确性。参考文献1杨玮，李民赞，王秀. 农田信息传输方式现状及研究进展J. 农业工程学报，2008,24(5):297-3012 Wang Ning, Zhang Naiqian, Wang Maohao. Wireless sensors in agriculture and food industryRecent development and future perspectiveJ. Computer and Electronics inAgriculture, 2011,50(1):1-143王斌，吴错，李志伟. 基于 GPRS 技术日光温室综合环境集散控制系统的研宄与设计J.山西农业大学学报（自然科学版) ，2012,32(1):022.4韩华峰，杜克明，孙忠富，等.基于 Zigbee 网络的温室环境远程监控系统设计与应用 J.农业工程学报.2009,25(7):158-1635苗连强，胡会萍. 基于 Zigbee 技术的温室环境远程监测系统设计 J.仪表技术与传感器，2010(010): 108-110.6郭文川，程寒杰，李瑞明，等.基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统J.农业机械学报,2010，41(7): 181-185
